基于DNDC模型分析降水变...地生物量和土壤有机碳的影响_马露露.pdf

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2021-0791马露露，徐婷，李泽森，焦峰.基于 DNDC 模型分析降水变化对黄土丘陵区草地生物量和土壤有机碳的影响.草业科学,2023,40(1):25-36.MALL,XUT,LIZS,JIAOF.AnalysisoftheresponseofgrasslandbiomassandsoilorganiccarbontoprecipitationchangesbasedontheDNDCmodelintheloesshillyregion.PrataculturalScience,2023,40(1):25-36.基于 DNDC 模型分析降水变化对黄土丘陵区草地生物量和土壤有机碳的影响马露露，徐婷，李泽森，焦峰（西北农林科技大学水土保持研究所,陕西杨凌712100）摘要：草地生态系统作为黄土高原半干旱区重要的陆地生态系统，降水格局改变对该区域的碳循环过程产生影响。通过在自然恢复草地(NR)和白羊草(Bothriochloa ischaemum)栽培恢复草地(BI)进行原位降水梯度试验，设置了减少自然降水量的 80%、60%、40%、20%，自然降水和增加自然降水量的 20%、40%、60%、80%(即 P80、P60、P40、P20、CK、P+20、P+40、P+60、P+80)的 9 种降水梯度，并运用 DNDC(denitrification-decomposition)模型进行模拟验证，分析降水改变对土壤有机碳(SOC)、地上和地下生物量的影响。结果表明：1)与自然降水相比，增减降水80%时自然恢复草地的 SOC 含量增幅最大(21.4%和 21.5%)，但不同处理间无显著差异(P0.05)；白羊草地 SOC 含量在减少降水 20%时达到“峰”值(13.41gkg1)，整体上白羊草地 SOC 含量高于自然恢复草地。2)两种草地恢复类型的生物量都随降水量变化而波动起伏，自然恢复草地减少降水 20%地下生物量和增加降水 40%地上生物量增幅分别为 53.6%和 52.4%，白羊草地在增加降水 20%和减少降水 40%时地下、地上生物量各达到最大值；且自然恢复草地地上生物量明显高于白羊草地，地下生物量则相反。3)DNDC 模型模拟结果显示自然恢复草地和白羊草地的 SOC 含量、地上和地下生物量模拟值的变化趋势与实测结果基本一致：均方根误差 RMSE%分别为 10.0、7.5、6.7 和 11.7、1.3、1.0，决定系数 R2分别为 0.578、0.989、0.989 和 0.776、0.998、0.999，点位模拟效果整体良好；但模型对生物量的模拟吻合程度更高，且在白羊草地的模拟更具优势；因此运用模型模拟黄土丘陵区草地生态系统的土壤有机碳和草地生物量是可行的。关键词：降水梯度；土壤有机碳；生物量；DNDC 模型；黄土高原；自然恢复草地；栽培恢复草地文献标志码：A文章编号：1001-0629(2023)01-0025-12Analysis of the response of grassland biomass and soil organic carbon to precipitationchanges based on the DNDC model in the loess hilly regionMALulu,XUTing,LIZesen,JIAOFeng(InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,Shaanxi,China)Abstract:Grasslandecosystemsrepresentanimportantterrestrialecosysteminthesemi-aridregionoftheLoessPlateau,andchangesinprecipitationpatternshaveanimpactonthecarboncycleprocessinthisregion.Insituprecipitationgradientexperimentswerecarriedoutinnaturallyrestoredgrassland(NR)andBothriochloa ischaemumartificiallyrestoredgrassland(BI).Naturalprecipitationwasusedasacontrol,andnineprecipitationgradients(P80,P60,P40,P20,CK,P+20,P+40,P+60,P+80)wereestablishedbydecreasingthenaturalvalueby80%,60%,40%and20%andincreasingthisvalueby20%,40%,60%and80%.Inaddition,adenitrification-decomposition(DNDC)modelwasusedtosimulateand收稿日期：2022-01-03接受日期：2022-05-17基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFA0600801)第一作者：马露露(1998-)，女，陕西榆林人，在读硕士生，主要从事水土保持研究。E-mail:通信作者：焦峰(1967-)，男，陕西三原人，副研究员，博士，主要从事水土保持效益评价研究。E-mail:J第40卷第1期草业科学25-36Vol.40,No.1PRATACULTURALSCIENCE1/2023http:/analyzetheeffectsofprecipitationchangeonsoilorganiccarbon(SOC)andabovegroundandundergroundbiomass.Theresultsshowedthat1)comparedwithnaturalprecipitation,theSOCcontentofNRpresentedthegreatestincrease(21.4%and21.5%)whentheprecipitationincreasedordecreasedby80%,respectively,althoughsignificantdifferenceswerenotobservedbetweenthesetwotreatments(P0.05).TheSOCcontentofBIreachedthepeakvalue(13.41gkg1)whentherainfalldecreasedby20%.Overall,theSOCcontentofBIwashigherthanthatofNR.2)Thebiomassofthetwotypesofgrassland restoration fluctuated with rainfall changes.When the rainfall decreased by 20%and increased by 40%,theunderground and aboveground biomass of NR increased by 53.6%and 52.4%,respectively,whereas when the rainfallincreasedby20%anddecreasedby40%,theseparametersachievedthemaximumvaluesinBI.Moreover,theabovegroundbiomassofNRwasobviouslyhigherthanthatofBI,whiletheundergroundbiomasspresentedtheoppositeresults.3)TheDNDCmodelresultsshowedthatthechangetrendsofSOCcontentandsimulatedabovegroundandundergroundbiomassvaluesofNRandBIwerebasicallyconsistentwiththemeasuredresults,withRMSE%valuesof10.0,7.5,and6.7forNRand11.7,1.3,and1.0forBI,respectively;andR2valuesof0.578,0.989,and0.989forNRand0.776,0.998,and0.999forBI,respectively.However,themodelwasmoreconsistentwiththesimulationofbiomass,andthesimulationofBIwasmoreaccurate.Therefore,theDNDCmodelisappropriateforsimulatingtheSOCandbiomassofgrasslandecosystemsintheloesshillyregion.Keywords:the precipitation gradient;soil organic carbon;biomass;DNDC model;Loess Plateau;naturally restoredgrassland;cultivaterestoredgrasslandCorresponding author:JIAOFengE-mail:J草地生态系统作为分布最为广泛的陆地生态系统类型之一，全球约 80%的天然草地处于中纬度干旱半干旱地区1，故该区域草地生态系统的碳循环过程对全球气候变化以及碳收支平衡的研究具有重要意义。草地碳储量包括植被碳储量和土壤碳储量两大部分，其中 90%以上储存于土壤中(地下生物量和土壤碳储量)2。一般认为，陆地生态系统碳库中约 2/3 以土壤有机碳(soilorganiccarbon,SOC)的形式存在3，而草地有机碳储量约占陆地生态系统总碳储量的 30%以上4，其中每年以植被根系残体和地表凋落物残体输入土壤后以 CO2释放的碳量约占 SOC 总量的 4%。因此，土壤有机碳分解转化和植物向土壤输入碳成为决定草地生态系统作为碳源或碳汇的两个关键过程5-7。但在水分受到严重限制的干旱半干旱区，草地生态系统碳循环过程对诸多气候因素中的降水格局变化(降水总量、降水强度和降水频率等)的响应更为敏感8-11，大气降水作为该区域草地生态系统土壤水分的主要来源途径，其变化是影响草地生物量碳库和土壤 SOC 分解转化的重要因子12，如Heisler-White 等13-14在北美中部半干旱典型草原的研究发现保持生长季降水总量不变、降水间隔时间延长而单次降水量增多的条件下，地上净初级生产力可增加 30%；王多斌等5关于高寒草甸土壤有机碳含量动态变化的研究也表明温度和降水可解释其变化的 61.9%。此外，因黄土高原自 1999 年开始实施退耕还林(草)工程建设，这对黄土丘陵区草地生态系统碳循环过程也产生了强烈影响。李裕元等15在黄土高原北部实施草地恢复后发现 SOC 密度表现为显著的增加，表明草地恢复是一个碳汇过程；毛琴琴16研究发现黄土高原地区退耕后不同草地恢复方式的固碳差异较为显著，栽培草地的固碳速率大约为 41g(hm2a)1，天然草地为 12g(hm2a)1；而许明祥等17分析发现，黄土丘陵区天然草地 SOC密度(18.2thm2)远大于栽培草地(8.6thm2)，还林草方式可解释退耕还林草后 SOC 变异性的 55.6%，但还草没有明显的土壤碳增汇效应。各研究结果的不一致主要因为草地植被恢复的碳循环过程受到环境条件、植被组成、恢复方式和人类活动等影响，使土壤固碳效应评估仍有较大的不确定性。因此，综合多种影响因素的草地碳储量评估显得尤为必要，这能为进一步分析半干旱区草地生态系统中的碳动态变化提供可靠参考。DNDC(denitrifi